超快激光凭借高峰值功率和超短脉冲宽度，能够通过非线性吸收在透明玻璃内部实现高精度、局域化能量沉积，从而诱导折射率变化、纳米光栅、微空洞等多种微改性结构，并伴随近焦点区域的应力分布调制与元素迁移。这种独特的加工机制为玻璃材料内部三维微纳制造提供了重要基础。本文从超快激光与玻璃材料相互作用机理出发，系统梳理了不同改性类型及其对应工艺窗口，进一步总结了其在片上光子学器件制备、高精度切割、光波导写入、应力波片构筑、微通道加工以及Burst模式加工等方面的研究进展。最后，分析了当前技术在加工一致性、机理认知和产业化落地方面面临的瓶颈，指出反向工程对于优化工艺设计的重要意义，并展望了人工智能技术在复杂参数寻优与加工智能化中的应用潜力。

色散扫描（Dispersion scan, D-scan）是一种基于色散调制与非线性频谱响应的超短激光脉冲表征技术，其凭借极简的光路设计和对宽带频谱及相位演化特征的高灵敏响应，已发展成为超短激光脉冲表征领域的重要工具。本文以D-scan技术持续适应激光脉冲表征实时性、鲁棒性等需求，以及向单周期、深紫外等极端参数拓展为核心主线，系统综述了D-scan技术在优化反演算法及实验方案拓展等方面的关键进展。首先，本文梳理了D-scan反演算法的发展过程，从早期的Nelder–Mead与差分进化算法，到目前作为标准的通用脉冲反演算法，再到实现毫秒级实时重构的深度学习技术。重点分析了各类算法在计算速度、鲁棒性及抗噪性能方面的提升。在实验技术方面，首先回顾了基于二阶非线性的二次谐波D-scan技术，详细讨论了其从传统扫描式向实时单发测量的技术跨越，同时介绍了基于二次谐波产生的D-scan在矢量光场表征中的最新进展。随后，针对二阶非线性在跨倍频程光谱重叠及深紫外波段相位匹配方面的物理限制，本文进一步探讨了基于三阶非线性效应及其衍生的D-scan技术，系统阐明了这些方法在拓展D-scan应用边界、实现单周期极限与深紫外波段表征方面的关键作用。最后，本文总结了当前D-scan技术在外部元件依赖性、长波长拓展及长脉宽测量方面面临的挑战，并对其在强场物理及阿秒科学中的未来发展方向进行了展望。

为了利用少周期脉冲实现超短孤立阿秒脉冲产生，需要研究双光学选通门技术对少周期光场电场的精密调控。在传统实验中，双光学选通门的调控对象通常是多周期脉冲，在分析中不考虑激光脉冲在介质传播中的高阶色散、倍频效率及倍频电场的精确波形，但这种近似对于少周期脉冲不再适用。本文基于耦合波方程组模型精确模拟了少周期脉冲在非线性晶体中的传播与倍频过程，揭示了色散效应等因素对选通门波形的关键影响。研究表明，当驱动光场为少周期激光脉冲时，双光学选通门的传统电场估算方法已不再适用。少周期脉冲激光具有超宽的频谱，不同波长成分的光相位累计差异导致的群速度失配、相位失配和色散等效应相比于长脉冲会明显增多。对于少周期脉冲，调整偏硼酸钡（BBO）晶体厚度为126.4 μm时，可以得到最佳选通光场。本文提出通过协同调节波片与BBO晶体厚度可以精细调节驱动场与倍频场的相对延迟，实现选通电场及驱动电场的优化，为超短孤立阿秒脉冲的产生提供了有效的参数优化指导。

本研究构建了一套基于桌面级高次谐波产生（High-Harmonic Generation, HHG）源与反射式干涉仪的光刻评估系统，可用于低成本、高效率表征EUV光刻胶。光束线采用515 nm飞秒激光激发氩气产生高次谐波，经轮胎镜聚焦和闪耀光栅分光后，由狭缝选取第11阶谐波（46.8 nm）作为EUV光源。以磺酸肟酯修饰的聚苯乙烯（PSOS）非化学放大型光刻胶为测试对象，分别采用劳埃镜和对称双镜进行干涉曝光。针对样品面与对称双镜间的对准难题，提出了一种基于衍射条纹反演计算的光学测距方法，实现了对称双镜的精确定位。实验结果表明：采用劳埃镜可获得周期125 nm，高对比度的清晰线栅图案，完成待测材料百纳米级分辨率的表征；经衍射条纹反演法精确定位后，利用对称双镜可制备出周期为60 nm的线栅图案，显著提升了系统的分辨能力。本研究展示的评估系统为光刻胶材料的快速筛选、分辨率极限研究及相关工艺开发提供了一个成本低、可推广的实验平台。

本文对自参考光谱干涉法的实现光路和重建算法两条主线进行了综述。在光路层面，从最早提出的基于交叉偏振波产生的自参考光谱干涉法（XPW-SRSI），到基于瞬态光栅效应的自参考光谱干涉法（TG-SRSI）全反射紧凑构型，对实现光路的灵敏度、波段覆盖与紧凑性三个维度进行了不断迭代升级。在算法层面，从针对近傅立叶转换极限的脉冲重建方法，到针对时域展宽超过傅立叶变换极限两倍的大啁啾脉冲重建算法，进行了三条演进路线论述：光谱拼接方案，引入监督深度学习的重建方案，以及嵌入物理正向模型的无需训练神经网络；后者在无需任何预训练数据集的条件下，实现了大啁啾与高噪声场景下的单次准确重建。面对不断涌现的新型光束表征需求，超短激光脉冲的时域测量在未来仍需要备受重视。

飞秒激光自组干涉协同近场增强效应和孵化效应能够实现深亚波长纳米刻蚀，然而其结构形成通常依赖表面随机散射中心以及多脉冲反馈，存在一致性差、重复性差、激光参数敏感等问题。本文提出时空协同的激光能量调控策略，以提升4H-SiC单晶表面纳米槽刻写质量。在空间域，采用单狭缝和双狭缝光束整形重构焦平面能量分布，抑制能量横向扩散，增强孵化效应和自组干涉效应；在时间域，引入GHz脉冲串调控能量注入时序，从而降低瞬时能量沉积强度并延长退火时间。通过静态定点辐照与动态扫描实验，系统探究不同调控手段下的表面形貌演化规律及纳米槽成形机制。结果表明：单狭缝整形后的椭圆焦斑可增强孵化效应和弱退火作用，一致性好且边缘规整；双狭缝整形进一步增强了干涉场约束效应，降低了纳米槽成形对随机散射中心的依赖，将最小可控槽宽压缩至34 nm；在双狭缝整形基础上引入GHz脉冲串，400 ps间隔子脉冲的分步能量注入可降低瞬时强激发并抑制重熔堆积物和颗粒附着，使纳米槽最小可控槽宽进一步降低至24.5 nm。时空协同调控策略为第三代半导体表面高精度、低损伤、高重复性的纳米制造提供了有效技术方案与理论依据。

为了满足面向阿秒科学、精密加工及超快光谱学等领域对高性能超短脉冲的需求，本文研究了一种高稳定性、自启动的全保偏少周期飞秒光纤激光器。以单壁碳纳米管薄膜作为可饱和吸收体构建了重复频率为100.45 MHz的全保偏掺铒光纤种子源；通过全保偏双向放大结构结合非线性光谱展宽与色散管理技术，进一步经保偏高非线性光纤非线性展宽和色散补偿后，基于自相关测得主脉冲宽度为30.1 fs，获得了仅含约5.8个光学周期的少周期脉冲序列，其放大输出平均功率超过200 mW。稳定性测试表明种子源连续运行10小时的功率均方根波动仅为0.4%，在引入温控与压电陶瓷进行重频锁定后，百秒艾伦方差达9.98 × 10⁻¹⁴。该种子源凭借其紧凑的结构和优异的运行稳定性，为后续产生跨倍频程超连续谱及实现高性能频率梳应用奠定了坚实的实验基础。

为了从色散扫描轨迹中恢复脉冲信息，本文采用了一种差分进化算法，生成一个部分相干脉冲序列，并使用传统差分进化算法及其改进版本进行测试。传统差分进化算法和改进差分进化算法的恢复误差分别为7%和1%。改进算法能够更准确地恢复部分相干脉冲序列的色散扫描轨迹。

针对空间引力波探测地面验证中普通实验室环境下高Q值扭摆系统的信号重建问题，提出了一种课程学习驱动的傅里叶特征网络方法（FouCLNet）。现有硬件隔振策略对场地与经费要求严苛，难以在普通地面实验室实施。传统物理信息神经网络在高Q值振荡系统中存在谱偏置、梯度冲突及输出衰减至接近零等固有局限。本文采用对数间距傅里叶特征映射，将频率参数均匀分布于0.003～0.02 Hz区间，以匹配扭摆0.007 Hz固有频率；构建4层全连接网络，设计硬振幅约束损失函数防止微弧度量级信号衰减；通过三阶段课程学习策略渐进引入弱物理约束，将偏微分方程残差权重退火至1×10⁻⁸量级。以地震噪声激励下的扭摆时序响应为研究对象，以四阶Runge-Kutta积分结果为真值标签，随机抽取80%时间点训练，20%时间点做同分布验证。实验结果显示：训练集相关系数达0.9988，峰值误差小于0.4%满量程，振幅匹配度100%，功率谱密度在0.007 Hz共振峰处与参考解重合；同分布离散验证集相关系数为0.9958，单点推理延迟仅0.524 ms。消融实验结果表明：去除傅里叶特征或硬振幅约束将引起模型性能严重退化；纯数据驱动配置在离散验证集上精度良好，但在连续时段重建中相关系数降至0.511，而完整方法保持0.986，表明弱物理约束对连续时序一致性具有稳定作用。时序外推实验提示，超出训练域后相关系数降至 0.019，出现虚假低频漂移；且对于训练域内未参与训练的连续时段，模型同样失效（R≈0.029）。本方法不适用于超出训练时间范围的外推预测，使用时须严格限定于训练域内的插值场景。此方法可为普通实验室环境下的扭摆系统提供训练分布内的高精度插值重建参考，并为开发因果性实时振动抑制算法提供参考。

以LISA、太极计划和天琴计划为代表的空间探测计划面临的核心挑战之一是如何处理测试质量块复杂的噪声背景。引力参考传感器（GRS）的噪声包含布朗噪声、温度场耦合、磁场噪声、静电场噪声、驱动电压不稳定性及难以解释的1/f超额噪声等多种物理起源。本文提出一种“物理机理→噪声分类→双向时序建模→自适应剔除”的完整算法链条：基于LISA Pathfinder任务实测数据校准的物理噪声模型将出气效应等最新结果定量嵌入噪声合成管道；卷积神经网络（CNN）与双向长短期记忆网络（BiLSTM）在物理分类引导下互补捕获局部瞬态模式与双向长程依赖（链条第二环）；按物理类别依次执行自适应谱减法实现噪声的逐层物理剥离（链条第三环）。仿真结果表明，在输入信噪比为10.2 dB的条件下，该算法链条对注入信号的恢复保真度达0.97（归一化相关系数），优于传统匹配滤波及纯CNN或纯BiLSTM基线方法。本研究可为空间引力波探测中的噪声建模、数据管道设计提供有价值的参考。

检验质量（TM）在轨存在高能粒子充电效应，从而干扰引力波探测。本文针对天琴计划的电荷管理需求，首先建立静电力模型，确定检验质量的电荷阈值上限为 2×10⁻¹³ C；然后设计基于紫外LED光源的电荷管理系统，并研制工程样机；最后构建基于精密扭摆的地面测试系统，用于评估电荷管理样机性能。实验结果表明：在2V、1 mHz的调制作用下，电荷测量的分辨率优于 2×10⁻¹⁴ C，电荷控制的分辨率约为 6×10⁻¹⁴ C，满足空间引力波探测需求。上述研究成果为天琴计划的实施提供了关键技术支持。

空间引力波探测采用激光外差干涉进行百万公里臂长间的测试质量微小位移波动检测，要求干涉系统在毫赫兹频段达到皮米级测量精度。干涉仪中测试质量的转动会通过转动-转动与转动-平动两类误差耦合共同限制系统灵敏度，本文旨在采取先抑制转动-转动耦合，再抑制转动-平动耦合的策略系统研究这两类误差耦合的耦合原理，建立耦合误差模型，并进行耦合误差消减。本文利用激光外差干涉与波前传感技术，搭建了测试质量干涉仪系统，实现了位移与转角的高灵敏度测量和噪声分析。通过实验标定了偏摆镜与探测器之间的坐标变换关系，并将偏摆镜旋转至最小耦合角度以使偏摆镜与探测器之间的坐标系尽量重合，实现了转动-转动耦合的抑制。通过几何关系建立了光学模型及实验对参数进行标定，建立了实时补偿系统，实现了对转动-平动耦合实现动态抑制。经过抑制，转动-转动耦合系数达到了约12.5 mrad/rad；转动-平动的耦合误差在时域消减了约90%，在频域上降低约一个量级，为空间引力波探测干涉仪的多自由度解耦及噪声抑制奠定了理论和实验基础。

为满足空间引力波探测用陶瓷基超稳结构的热形变测试需求，解决该类构件制备完成前测量链路难以验证的工程难题，本文搭建了一套适用于1mHz~0.1 Hz频段的地面真空热形变干涉测量系统。选用几何构型、安装接口及测量光路均与陶瓷基构件等效的 4J32 殷钢样件作为试验件，完成系统综合热膨胀系数标定、长期位移稳定性测试与低频噪声分析。试验将被测结构、光纤测量头、反射镜与温度传感器整体置于真空环境，利用腔体自然降温实现测量链路整体热响应标定；在mK级稳态温控下，采用Welch法获取位移噪声幅值谱密度，对比分析干涉仪本征噪声、热等效噪声与系统综合噪声。实验结果表明：系统综合热膨胀系数与殷钢本征值相对偏差约8.3%，可有效表征测量链路整体热响应；系统在mHz频段的位移噪声幅值谱密度为26.6 nm/$ \sqrt{{\mathrm{Hz}}} $，长周期测量稳定性较好；干涉仪本征噪声较系统综合噪声低约两个数量级，温度波动转换的热等效位移噪声仅占系统噪声的7.8%~14.1%，二者均远低于系统综合测量噪声，并非系统测量误差的主要来源。该系统与方法完成了全测量链路验证与噪声基准建立，可为后续陶瓷基超稳结构热形变测试提供等效验证基础与可复用技术方案。

针对空间引力波探测中传统静态噪声叠加方法未考虑多物理场与控制系统之间的动态耦合，难以满足高保真度任务仿真需求的问题，本文提出并设计了一套空间引力波探测全链路动态仿真系统，建立了多物理场与控制系统之间的闭环反馈能力。该系统采用动态闭环架构，包含航天器多物理场仿真模块、全链路噪声仿真模块、无拖曳控制仿真模块及数据处理分析模块。其中，物理场状态基于控制作用后的航天器状态计算生成，噪声由物理场状态经全链路噪声模型映射生成。该系统实现了全链路噪声的物理源头追溯与动态仿真。由仿真实验可知，可移动光学组件（MOSA）运动与燃料消耗引起的自引力加速度扰动在观测频段（0.1 mHz~1 Hz）内可达10⁻¹³ m·s⁻²· Hz^−1/2量级以上，需通过高精度在轨测量与标定等方法进行补偿或扣除。所构建的系统能够捕捉静态模型忽略的动态耦合效应，为空间引力波探测的任务设计、噪声溯源与灵敏度评估提供高保真度仿真平台。

针对空间引力波探测航天器中检验质量附近磁场无法原位测量、磁场重建精度受磁传感器布置显著影响的问题，研究有限安装约束下的磁传感器构型优化方法，以提升检验质量处磁场重建精度。将磁传感器布置建模为离散组合优化问题，提出基于改进IVY算法的磁传感器构型优化方法（MSC-IVYA）。该方法通过可安装区域离散化、基于默认构型的种群初始化、动态邻域更新以及面向多随机磁模型的累积适应度设计，实现受约束条件下的高效搜索；并以LISA Pathfinder和Taiji-2两种典型空间引力波探测器为对象，结合距离加权法（IDW）、泰勒展开法（TE）和多级展开法（ME）3种重建方法开展仿真评估。在LISA Pathfinder中，默认构型下TM1在IDW、ME和TE下的平均相对误差分别为593.74%、508.04%和516.50%，经MSC-IVYA优化后分别降至390.39%、357.55%和363.89%。在Taiji-2中，MSC-IVYA的性能同样稳定提升，TM1在IDW和ME下的误差由72.14%和77.27%降至32.55%和47.25%，TM2在ME和TE下的误差由97.17%和112.14%降至74.27%和80.76%。磁传感器构型是影响检验质量磁场重建性能的重要设计变量。MSC-IVYA能够在不同任务条件下稳定改善磁场重建精度，尤其适用于磁传感器数量有限、安装区域受限的工程场景，可为空间引力波探测航天器磁诊断系统设计提供方法支撑。

面向空间激光干涉的相位计，当锁相环路发生失锁时，现阶段普遍采用快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）测频法重新完成信号捕获。该方法存在测频精度偏低（100 Hz量级）、重锁耗时较长（约7 ms）等技术问题。本文提出一种与FFT协同部署的自动重锁技术。该技术采用瞬时频率值与频率变化率相结合的失锁检测策略，同时选取环路滤波器原始数据与级联积分器梳状（Cascaded Integrator-Comb，CIC）滤波器降采样数据两类数据源完成失锁判断，失锁发生后通过复位操作清除积分误差，并接收频率预测算法输出的预测值。该频率预测算法针对周期信号采用波形生成算法，针对非周期信号采用二阶多项式预测算法，同时结合插值技术生成对应的频率预测值。该自动重锁技术与FFT采用并行部署的方式且形成明确的功能分工，其中：该技术依托信号自身的规律性开展频率预测，负责处理所有规律信号的失锁场景（无论失锁时长）以及短时（<1 s）非规律信号的快速重锁；FFT则负责处理非规律信号以及长时复杂失锁场景下的信号重新捕获，二者形成优势互补的工作模式。实验结果表明，在规律信号失锁的场景下，本研究提出的算法平均重锁时间为32 μs，最大重锁时间为60 μs，相较于FFT方法提升两个数量级，且重锁速度与失锁时长无关联，即在失锁时长达到10 s时仍能保持数十微秒量级的重锁速度，同时在−10~10 dB的信噪比范围内，频率估计误差稳定在10 Hz以下，即使信噪比低至−10 dB时仍可实现稳定锁定。这种与FFT协同部署的架构在保留FFT宽频捕获能力的基础上，显著提升了规律信号场景下的快速重锁能力，为空间引力波探测任务提供了高精度、快响应、强稳定性的相位测量技术支撑。

针对空间引力波探测航天器的星间建链任务，研究了基于多源信息融合的光束精密指向控制问题。结合引力波探测航天器的结构和载荷特性，建立包含移动光学组件运动的全系统状态方程，利用误差四元数将非独立变量描述的非线性测量方程转化为独立变量描述的线性方程，并融合惯性传感器的测量信息进行滤波估计以提高卫星平台的定姿精度。此外，针对超远距离星间激光传输时间和两星之间高速相对运动导致的超前指向问题，推导了随时间变化的超前角解析表达式，并仿真分析了轨道周期内超前角的变化趋势，为星间链路建立与维持过程的超前角伺服补偿提供了理论依据。通过三星系统的闭环仿真验证了所设计的高精度指向估计算法在稳定性和估计精度方面的优越性，结合鲁棒抗扰控制器实现了光束的精密指向，本研究为我国引力波探测计划的顺利实施提供必要的技术支撑。

为提升光电吊舱多通道光轴一致性，解决光轴标校复杂成像条件下靶标中心检测精度不足的问题，提出两种具有针对性的高精度检测方法。针对脉冲激光闪烁及灼痕干扰，提出基于分阶段加权质心法的脉冲激光中心检测方法，实现大光斑粗定位到灼痕精定位的逐级优化；针对红外十字靶标边缘模糊、噪声干扰等问题，提出基于多组霍夫直线筛选与方向约束的交点优化策略，提高弱边缘条件下的中心定位精度。通过对多组激光序列及十字靶标图像进行实验验证，结果显示：脉冲激光中心检测中，分阶段加权质心法的均方根误差为0.237像素，优于最小二乘圆拟合法和传统质心法；霍夫直线筛选法在15幅红外十字靶标图像上的平均误差和最大误差仅为0.499像素和0.974像素。实验结果表明，所提方法可实现亚像素级中心检测，具有良好的稳定性以及较强的工程应用价值。

针对近准直碟片多通放大器在高功率、高能量运行条件下面临的热致光焦度敏感、稳定工作区间受限等问题，本文开展了基于泵浦光强分布调控的热透镜效应抑制研究。首先，基于碟片光焦度实验测量结果，分析碟片光焦度变化与泵浦光强分布之间的关系。在此基础上，提出采用M形泵浦替代传统超高斯泵浦，并建立理论模型，对0~8.13 kW/cm²泵浦功率密度范围内两种泵浦方式下的碟片温度分布及光焦度变化规律进行对比分析。仿真结果表明，当M形泵浦中心凹陷区的超高斯阶数为8时，碟片光焦度变化量最小，水平和竖直方向分别为0.00283 m⁻¹和−0.00455 m⁻¹；与超高斯阶数为10的传统泵浦相比，两个方向的光焦度变化量分别降低了0.05171 m⁻¹和0.06355 m⁻¹，降幅达94.7%和93.3%。M形泵浦能够显著抑制碟片热致光焦度变化，为全泵浦功率密度范围内的模场匹配提供更有利的条件，大幅降低泵浦功率变化引发的光学元件损伤风险。

为了突破目前热光波导光开关开关速度慢、热量易积累、器件功耗高，电光波导光开关传输损耗高，以及现有传统光子集成电路波导光开关器件普遍存在的反馈控制复杂、难以实现大阵列规模应用且工作带宽较窄等问题，以满足未来片上全光交换技术对快响应、低功耗、宽带、低成本、可实现大阵列规模制备应用的光开关器件为需求，开展基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)驱动的硅基波导光开关器件研究。基于硅光波导技术和微机电技术交叉融合，设计并制备了一种可实现光信号路由功能的MEMS静电驱动2×2硅基波导光开关（硅光MEMS光开关）。通过电子束光刻配合互补氧化物金属半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)工艺实现硅光波导和MEMS微执行器在硅晶圆上的一体化集成制备。器件在192 μm×192 μm尺寸下实现了2×2光开关功能，开关响应速度达到20 μs及15 μs，光信号上升沿及下降沿时间分别为15 μs和10 μs。在1550 nm消光比达到35 dB，插入损耗为−0.8 dB，在1500 nm~1600 nm波段消光比超过20 dB，器件在开启状态的保持功耗低于0.5 μW。测试结果表明该硅光MEMS光开关响应速度快、调制功耗低、宽带性能良好，在现有工艺平台下可实现大规模阵列化制备且控制方式简单，在未来片上全光交换领域具有较大的应用价值。

为满足太赫兹器件对多功能偏振调控与动态可调特性的需求，提出了一种基于石墨烯载流子调控的双功能可切换太赫兹手性超表面。通过改变入射波偏振态，并利用外加栅压连续调节石墨烯费米能级，该结构可分别表现出圆二色性(CD)和线二色性(LD)响应，从而实现不同偏振选择性吸收特性之间的切换。仿真结果表明：当石墨烯费米能级为1 eV时，超表面在2.65 THz处对左右旋圆偏振光产生显著选择性吸收，|A_CD|幅值达到0.89，在1.97～3.44 THz频段内|A_CD|幅值保持在0.6以上；当费米能级降至0.2 eV时，结构在1.91 THz处表现出明显的线二色性响应，|A_LD|幅值达到0.75。电场与表面电流分布分析表明，不同偏振态在谐振条件下激发的电共振强度差异是产生偏振选择性吸收的主要原因。此外，该结构对入射角和结构参数变化具有较好的稳定性，在圆/线二色性探测、偏振调控以及太赫兹光学器件等方面具有潜在应用价值。

光场相机在传统相机的CCD探测器前方增设微透镜阵列（Micro-lens Array，MLA），以同时捕获入射光线的空间信息和角度信息，可实现先拍摄、后对焦的数字重聚焦，进而获得物空间中任意深度平面的清晰对焦图像。为了获取三维流场中多个深度平面的速度场分布，本文提出了一种基于逆向光线追迹数字重聚焦的多平面粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry, PIV）。为了实现光线追迹，本文重新推导了光场相机的F数匹配关系，计算了光场图像中子图像的渐晕区域和非渐晕区域，并通过逆向光线追迹技术，分别追迹渐晕区域和非渐晕区域发出的主光线，使其依次穿过微透镜阵列、主镜头并映射至三维物理空间，从而获得不同深度平面的粒子的重聚焦图像。随后，利用期望最大化 (Expectation-Maximization，EM)算法对重聚焦图像进行去模糊处理。最后，利用二维互相关技术计算三维流场中多平面的速度场分布。为了验证所提方法的有效性，搭建了淹没水射流实验装置并开展实验。实验结果表明所提出的基于数字重聚焦技术的多平面PIV技术能实现三维流场中多平面速度场的测量。

针对直控式光学膜厚监控系统光源发散以及在探测器响应信号弱的波段会引起厚度控制误差大的问题，本文提出将光信号发射与接收端均放置在真空腔外，从而避免腔室的振动、温度、装配等对光信号的干扰。基于光纤耦合与准直聚焦的光信号调制方案，通过将光源外置并进行集成化设计，结合多模光纤与复合光路系统，利用Zemax软件以监控镜片和光纤接收端面的光斑尺寸及能量密度为目标，优化光信号发射和接收端光学系统元件的参数，提高光信号及电信号的稳定性。改进后光纤接收端辐照强度提升222.7%，信号强度提升156.6%，信噪比提高70.38%。通过制备波长2400 nm、半高宽40 nm的窄带滤光膜，重复制备三次，中心波长偏移均在1 nm以内，半带宽均为40 nm。从而验证该系统在探测器响应信号弱的波段可实现高精度、高稳定性膜厚监控。

为了实现飞秒激光成丝超连续辐射的光谱参数优化，使用了透镜阵列聚焦双色飞秒激光在熔融石英块中成丝的方法产生超连续辐射，并对超连续辐射光谱功率密度的提高、光谱范围的拓宽、光谱分布特性的调节等方面进行研究。首先，比较了不同波长的飞秒激光输入对成丝超连续辐射光谱范围的影响。接着，以透镜阵列替代单透镜聚焦飞秒激光成丝，通过多丝阵列形成的光谱累积效应提升超连续辐射的光谱功率密度。然后，实验比较了输入激光功率对超连续辐射光谱分布的影响，实现了对超连续辐射高频区域（或低频区域）光谱功率密度的独立控制。最后，对该方法产生的超连续辐射光谱稳定性进行了评价。实验结果表明：该方法可以获得在高频光谱范围增强的超连续辐射，并且在380 nm~950 nm的光谱范围内功率密度均高于0.1 mW/nm。该方式产生的超连续辐射可以灵活优化光谱功率密度、光谱范围和光谱分布的特性，以适应超连续辐射光谱的实际应用需求。

与低阶艾里光束、皮尔斯突变光束相比，圆形燕尾光束已被证实具有更为优异的自聚焦能力与调控灵活性。基于全介质超构表面，利用时域有限差分法（FDTD）研究了携带幂指数相位涡旋的定向圆形燕尾（DCS）光束的生成方法，其中定向相位由光束在x和y方向的预设发射角共同调制。在此基础上，详细探讨了定向相位与幂指数相位对光束动态传输及轨道角动量（OAM）的影响。结果表明：通过选取不同的发射角，光束的自聚焦位置可沿预设轨迹进行自由调控；幂指数相位会诱导光束在传输过程中出现旋转行为，且同步演化形成阿基米德螺旋结构。更重要的是，与发射角相关的定向相位可等效为螺旋谱的叠加，它能将OAM模式扩展至更宽的多模态，且该情形下的多模态OAM的功率衰减幅度小于非定向情形。这意味着，多模态 OAM 谱在传输过程中的功率衰减可由各模式共同分摊，而非集中于单一模式，为抑制自由空间传输的轨道角动量衰减提供了可能。本文研究结果对微粒导引或捕获、OAM光通信、光成像具有潜在的应用价值。

传统ZnO/GaN异质结紫外光电探测器仍存在界面接触面积有限、载流子输运效率不足以及ZnO本征缺陷影响光电响应的问题，限制了器件性能的进一步提升。本文采用低温水热法在多孔p-GaN/Al₂O₃衬底上生长了不同Ga掺杂浓度的Ga+Al共掺杂ZnO纳米棒阵列，并制备了相应的Ga+Al共掺杂ZnO纳米棒/多孔GaN异质结。通过多孔p-GaN增强异质结界面接触与光吸收，并利用Ga+Al共掺杂调控ZnO纳米棒的缺陷状态和载流子输运性能，从而提高器件的自供电紫外探测性能。结果表明：在0 V偏压和365 nm紫外光照下，Ga掺杂浓度为3%时器件表现出最佳的紫外探测性能，其光暗电流比为8250、响应度（R）为0.158 A/W、比探测率（D*）为3.15×10¹² Jones、外量子效率（EQE）为53.5%。该研究为制备下一代高性能ZnO/GaN基异质结紫外光电探测器提供了一定的理论指导和实验数据。